在宇宙誕生后的數(shù)百萬年里，它宛如一片沉寂而黑暗的海洋，被一層厚重的中性氫“帷幕”緊緊包裹。那時(shí)，宇宙中還沒有璀璨的恒星點(diǎn)亮夜空，沒有壯觀的星系旋渦，更無行星的蹤跡。

然而，這一沉寂并未持續(xù)太久。大約在大爆炸后的1億年，宇宙悄然迎來了它的變革時(shí)代。在接下來的十多億年里，它從一片荒蕪逐漸演化為一個(gè)充滿生機(jī)與活力的世界。這一轉(zhuǎn)變的起點(diǎn)，正是第一批恒星的誕生。它們不僅釋放出巨大的熱量，還孕育出了新的物質(zhì)，并以其強(qiáng)烈的光芒“撕裂”了彌漫在宇宙中的氫氣，使氫原子中的電子被剝離，導(dǎo)致宇宙中含量最豐富的元素——?dú)?，大部分變成了電離狀態(tài)。這一關(guān)鍵時(shí)期，被稱為“再電離時(shí)代”。

再電離時(shí)代不僅是宇宙發(fā)展的主要舞臺(tái)，更是見證了宇宙成長歷程的重要時(shí)期。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論天體物理學(xué)家朱利安·穆尼奧斯曾表示，再電離是宇宙發(fā)生的最后一次重大轉(zhuǎn)變。在那十多億年的時(shí)間里，宇宙萬物都發(fā)生了翻天覆地的變化，而此后的數(shù)十億年里，宇宙的變化則相對較小。

盡管現(xiàn)有的理論對再電離過程有所描述，但我們對宇宙的認(rèn)知仍存在許多空白。例如，第一批恒星究竟何時(shí)形成？它們何時(shí)引發(fā)了宇宙的再電離？哪種星系在這一過程中發(fā)揮了最大作用？黑洞又扮演了怎樣的角色？再電離在時(shí)空維度上是如何發(fā)展的？這些問題至今仍是未解之謎。

然而，隨著科技的飛速發(fā)展，全新的科研工具不斷涌現(xiàn)，科學(xué)家們得以更深入地回溯宇宙最初的十多億年。其中，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射無疑是天文學(xué)領(lǐng)域的一大突破。它聚焦于大爆炸后僅數(shù)億年就已存在的星系，不斷帶來令人驚嘆的發(fā)現(xiàn)。例如，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在大爆炸后僅3.5億年就已存在的星系，這一記錄隨后又被刷新，加州大學(xué)圣克魯茲分校的天體物理學(xué)家布蘭特·羅伯遜及其同事發(fā)現(xiàn)了大爆炸后僅2.9億年的星系。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡不僅帶來了許多寶貴的信息，還對人們的認(rèn)知產(chǎn)生了巨大沖擊。它發(fā)現(xiàn)早期宇宙中的星系數(shù)量以及它們包含的恒星數(shù)量遠(yuǎn)超科學(xué)家的預(yù)期。例如，有6個(gè)在大爆炸后7億年內(nèi)形成的星系，其恒星數(shù)量竟能與如今擁有600億個(gè)太陽恒星的銀河系相媲美。這些發(fā)現(xiàn)促使科學(xué)家重新審視星系的演化過程，并引發(fā)了關(guān)于再電離的諸多重大問題。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡還發(fā)現(xiàn)，這些星系產(chǎn)生的光線遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使宇宙再電離所需要的量，這意味著再電離可能發(fā)生的比人們現(xiàn)在所認(rèn)知的更早。巴黎天體物理研究所的天體物理學(xué)家哈基姆·阿泰克及其同事的研究表明，即使是詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的最暗淡的早期星系，產(chǎn)生的再電離光線也是預(yù)期數(shù)量的四倍。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加深了我們對再電離時(shí)代的認(rèn)知。

為了更深入地了解再電離過程，科學(xué)家們還在使用下一代射電望遠(yuǎn)鏡追蹤早期宇宙中不同時(shí)期中性氫的含量。他們通過多種方式對氫進(jìn)行探測，包括宇宙微波背景輻射的散射情況、類星體產(chǎn)生的光的探測等。然而，這些方法都面臨著諸多困難。因此，科學(xué)家們現(xiàn)在試圖探測中性氫自身發(fā)出的射電信號(hào)，即21厘米譜線。

21厘米譜線源于中性氫原子中電子的量子躍遷，此躍遷會(huì)發(fā)射出波長為21厘米的少量電磁輻射。雖然這種信號(hào)并不常見，但當(dāng)中性氫大量存在時(shí)，就有可能被探測到。科學(xué)家們已經(jīng)通過“氫再電離時(shí)代陣列”（HERA）等射電望遠(yuǎn)鏡開始探測這種信號(hào)。HERA由350個(gè)射電天線組成，分布在南非北開普省的一個(gè)區(qū)域內(nèi)。盡管望遠(yuǎn)鏡本身的技術(shù)含量不高，但觀測過程需要最先進(jìn)的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

對中性氫的探測結(jié)果同樣超出了現(xiàn)有理論的框架。研究人員開始使用暗物質(zhì)來解釋這些結(jié)果。例如，“探測再電離時(shí)代全球特征實(shí)驗(yàn)”（EDGES）的研究人員曾報(bào)告稱探測到了比預(yù)期更強(qiáng)的21厘米譜線信號(hào)，這引發(fā)了人們對該發(fā)現(xiàn)的諸多質(zhì)疑。一些研究人員認(rèn)為氫與暗物質(zhì)之間的相互作用可能是一種解釋，但這需要一些特殊的物理現(xiàn)象來支持。

未來，將有更多的儀器助力科學(xué)家進(jìn)一步回溯宇宙歷史。例如，平方千米陣（SKA）將試圖繪制整個(gè)天空的21厘米譜線信號(hào)圖。它將把南非和澳大利亞的射電天線連接起來，建成有史以來最大的射電望遠(yuǎn)鏡。還有國家提出了在太空甚至月球上建造新射電望遠(yuǎn)鏡的提案，以避免地球的干擾。